活性炭法煙氣脫硫脫裝置的儀表設(shè)計與選型

金升

（一重集團大連工程建設(shè)有限公司，遼寧 大連 116113）

0 引言

從2010 年太鋼660m2和450m2燒結(jié)廠[1]活性炭法煙氣脫硫脫硝[2]裝置投運起，這種工藝在燃煤電廠和燒結(jié)廠中被廣泛應(yīng)用。然而，由于技術(shù)自主化方面并不完善，現(xiàn)已建成的裝置存在運行不佳的情況，儀表的設(shè)計選型不合理也是影響裝置穩(wěn)定運行的因素之一。在大氣污染防治要求越來越嚴(yán)格的今天，尚有大量的燃煤電廠和燒結(jié)廠即將淘汰原有的脫硫裝置，而改用活性炭法煙氣脫硫脫硝工藝。因此合理的儀表設(shè)計與選型，為工程設(shè)計人員提供參考具有重要意義。

1 活性炭干法煙氣脫硫脫硝工藝簡介

以河北某鋼鐵廠265m2燒結(jié)機的活性炭法煙氣脫硫脫硝裝置為例，活性炭的再生熱源利用燃燒高爐煤氣產(chǎn)生的熱風(fēng)，裝置的主要工藝流程如圖1 所示。

圖1 活性炭法煙氣脫硫脫硝工藝流程

工藝裝置主要由凈化單元、供氨單元、再生單元、制酸單元以及增壓風(fēng)機、輸送鏈斗機、粉炭收集及除塵等輔助設(shè)備組成。燒結(jié)機排放的原煙氣或經(jīng)過降溫措施，溫度保持在酸露點以上約110℃，經(jīng)增壓風(fēng)機升壓后，依次進入凈化單元的脫硫反應(yīng)器與脫硝反應(yīng)器，凈化后排入煙囪。

在脫硫反應(yīng)器中，經(jīng)活性炭的物理吸附與化學(xué)反應(yīng)的共同作用下，煙氣被脫硫處理；在脫硝反應(yīng)器中，通入一定量的5%氨空混合氣進行脫硝處理。

吸附過SO2及其他反應(yīng)生成物（SO3、硫酸銨等）的活性炭從凈化單元下部滾式卸料器排出，經(jīng)輸送鏈斗機送入再生反應(yīng)器，再經(jīng)過再生反應(yīng)器的預(yù)熱段、加熱段、冷卻段，活性炭完成再生并且冷卻后，由具有氮氣密封作用的旋轉(zhuǎn)卸料器排出，經(jīng)振動篩篩出碎粉后送入輸送鏈斗機，重新回到凈化單元參與脫硫脫硝。

在再生反應(yīng)器的加熱段，活性炭被熱風(fēng)爐產(chǎn)生的循環(huán)熱風(fēng)加熱到400～450℃，SO2被解析出來，硫酸和硫酸銨鹽經(jīng)高溫分解，產(chǎn)生的解析氣送入制酸單元生成濃硫酸，制酸單元產(chǎn)生的尾氣被重新送入凈化單元入口，并且為制酸單元設(shè)置旁路。

2 儀表的設(shè)計與選型

制酸單元等由成套設(shè)備供貨廠家提供的儀表相對已經(jīng)成熟，其選型在設(shè)計范圍，活性炭法脫硫脫硝主裝置的關(guān)鍵部位的儀表設(shè)計與選型是本文討論的重點。

2.1 溫度儀表設(shè)計與選型

脫硫和脫硝反應(yīng)器中活性炭的溫度檢測儀表需要特殊設(shè)計和選型，關(guān)乎裝置的安全運行，屬于關(guān)鍵儀表[2]。

在脫硫和脫硝反應(yīng)器中，正常狀態(tài)下活性炭溫度在135～155℃之間，遠傳溫度儀表選擇熱電阻，但是由于活性炭本身的成分復(fù)雜且存在緩慢升溫達到300℃以上的情況，即活性炭溫度超過其著火點導(dǎo)致活性炭自燃[3]。檢測到超溫情況，需采用熱電偶，實時監(jiān)控報警并記錄曲線，判斷升溫趨勢，及時采取對凈化反應(yīng)器進行充氮氣的操作，以避免活性炭著火而危及設(shè)備安全。脫硫脫硝反應(yīng)器寬度可達11m，采用分層且多點均布測溫點。在每個檢測點，設(shè)備內(nèi)部設(shè)計一根貫穿設(shè)備DN50 的不銹鋼管作為套管，每個測溫點選用一臺8 點K 型鎧裝熱電偶，各點的插入長度按套管總長均布。

再生反應(yīng)器加熱段的活性炭溫度可達400℃以上，超過了活性炭的著火點，溫度儀表選帶固定法蘭套管的單支K 型鎧裝熱電偶，插入設(shè)備內(nèi)部300mm，套管材質(zhì)不低于316L，表面噴涂耐磨層以滿足活性炭向下流動的易磨損工況。

2.2 壓力儀表設(shè)計與選型

就地指示的壓力表，在工藝介質(zhì)為氮氣、低壓蒸汽、壓縮空氣、儀表空氣、生產(chǎn)循環(huán)水等場合，壓力為兆帕級，選用不銹鋼彈簧管壓力表；再生反應(yīng)器的熱循環(huán)風(fēng)、冷卻風(fēng)、熱風(fēng)爐的助燃空氣、氨氣等介質(zhì)的就地壓力檢測，壓力為幾千帕至十幾千帕，選用不銹鋼膜盒壓力表。其中風(fēng)機和水泵出口的壓力表選擇耐震型，氨水和氨氣的壓力表選氨專用壓力表，需要禁銅。

低壓蒸汽、氮氣、生產(chǎn)水等介質(zhì)的遠傳壓力檢測儀表選用智能型壓力變送器；高爐煤氣、循環(huán)熱風(fēng)、氨氣、煙氣、酸性氣等介質(zhì)，壓力在千帕級或是微負(fù)壓，壓力檢測選用智能型差壓變送器，正壓室接被測介質(zhì)，負(fù)壓室接大氣。所有壓力/差壓變送器均為二線制24VDC，精度可達±0.075%，輸出為4～20mA 疊加HART 協(xié)議，除酸性氣的壓力檢測元件材質(zhì)選為哈式合金外，其他變送器的壓力檢測元件材質(zhì)均為316L，高爐煤氣和氨氣管線區(qū)域的壓力變送器選為隔爆型。

2.3 流量儀表設(shè)計與選型

界區(qū)處的低壓蒸汽、氮氣和壓縮空氣總管線，再生反應(yīng)器上部和下部氮封總管線以及氨水汽化后的90%濃度氨氣管線，介質(zhì)潔凈度高、脈動及震動小、粘度低、管道口徑在DN80～DN150 之間，這些場合的體積流量測量選擇法蘭連接一體式渦街流量計，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、安裝維護方便、測量范圍度寬、壓力損失小的特點，溫度壓力補償可利用遠傳的溫度、壓力信號，在DCS 上位機中實現(xiàn)。

生產(chǎn)水總管需要埋地，測量其流量需設(shè)置水表井，選用分體式電磁流量計，傳感器安裝在井中水管上，變送器安裝在井邊地面上，二者通過儀表自帶連接電纜連接。

一級噴氨管線為DN600，二級噴氨管線為DN350，高爐煤氣管線為DN700，循環(huán)熱風(fēng)管線為DN2000，助燃空氣管線為DN400，在這種大口徑管道的氣體體積流量測量的場合，選用節(jié)流裝置與差壓變送器組合的方式測量流量是比較適合的。噴氨管線選擇標(biāo)準(zhǔn)孔板作為節(jié)流元件，循環(huán)熱風(fēng)和助燃空氣的流量測量選擇一體式帶吹掃功能的巴類流量計。鋼鐵廠的高爐煤氣用氣點多且用量大，脫硫脫硝裝置用高爐煤氣屬于末端，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)高爐煤氣的壓力波動范圍較大，影響火焰的穩(wěn)定，壓力過低時會導(dǎo)致熱風(fēng)爐滅火，因此選擇多孔平衡孔板作為節(jié)流元件，以保證盡可能的減少壓損，有高的測量準(zhǔn)確度、較短的直管段要求以及有較寬的量程比。

2.4 物位儀表設(shè)計與選型

主裝置中需要檢測物位的主要介質(zhì)、部位及大概工況如表1 所示。

表1 主要部位的介質(zhì)工況及物位儀表的選型

顆粒和粉狀固體物料的物位開關(guān)量檢測選擇電容式或射頻導(dǎo)納式物位開關(guān)。設(shè)備法蘭短管處由于設(shè)備邊緣內(nèi)外存在溫差，有產(chǎn)生凝結(jié)水的可能性，且在靜電吸附的作用下，氣相中的粉塵容易附著在電極上，影響檢測效果。因此，電容式物位開關(guān)需具有抗黏附功能，射頻導(dǎo)納式物位開關(guān)具有抗黏附補償功能，屏蔽層要超出法蘭短管50mm。以往設(shè)計中，采用側(cè)壁斜上45°的安裝方式，由于活性炭顆粒在短管內(nèi)有存料的現(xiàn)象，引起誤報警。經(jīng)過實踐改良，物位開關(guān)設(shè)計為頂裝式，插入長度根據(jù)計算報警點位置設(shè)計，消除了誤報警的情況。

脫硫脫硝凈化反應(yīng)器多點布料器、再生反應(yīng)器中活性炭的連續(xù)物位，是活性炭輸送布料過程的重要參數(shù)，控制系統(tǒng)根據(jù)物位的變化完成均勻布料和補料的控制。因此，活性炭連續(xù)物位檢測儀表需具有高可靠性、高準(zhǔn)確度、抗干擾能力強、安裝維護方便的特點。太鋼的燒結(jié)機活性炭法煙氣脫硫脫硝裝置的連續(xù)物位檢測儀表，日本承包方選用的是電容式物位計，檢測探桿接近4m，儀表的安裝需要在設(shè)備內(nèi)部做固定支撐結(jié)構(gòu)，增加了設(shè)備設(shè)計制造和儀表安裝的難度，而且在氣相存在大量炭粉的環(huán)境中，長探桿容易附著粉塵，降低了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，也增加了清灰維護的頻次。目前活性炭法煙氣脫硫脫硝裝置中，活性炭和粉炭連續(xù)物位的檢測儀表，已選為高頻雷達物位計。其發(fā)射頻率在70GHz 以上，發(fā)射角小于6°，具有直線性好、穿透力強、抗粉塵干擾的優(yōu)點，因其是非接觸性儀表，同時也避免了與活性炭接觸產(chǎn)生的損壞或腐蝕。安裝設(shè)計為萬向法蘭，可根據(jù)設(shè)備內(nèi)固體物料的實際堆角做相應(yīng)的調(diào)整，通過法蘭自帶吹掃接口通以氮氣，設(shè)計手動氣源球閥，定期吹掃雷達鏡面即可，安裝和維護方便。

2.5 控制閥設(shè)計與選型

2.5.1 切斷閥設(shè)計與選型

根據(jù)氨氣、炭粉、事故噴淋水、高爐煤氣的工況和管道口徑，切斷閥主要的技術(shù)參數(shù)如密封等級和形式、閥型、填料材質(zhì)、閥芯閥座材質(zhì)、執(zhí)行機構(gòu)形式按以下原則進行設(shè)計選型。

（1）密封等級、密封形式：切斷閥要求泄露等級在羅馬數(shù)字級以上。氣體和液體介質(zhì)的切斷閥密封類型為軟密封，介質(zhì)為炭粉和氣相含粉塵的切斷閥，密封形式為硬密封。

（2）閥型：切斷閥閥芯型式根據(jù)密封性要求、管道口徑以及經(jīng)濟性原則選擇。氣相介質(zhì)如5%氨空混合氣和高爐煤氣的管道口徑在DN200 以上，切斷閥選擇雙偏心蝶閥；氣相含炭粉的除塵管道，口徑DN250，選擇三偏心蝶閥，口徑在DN150 以下的選擇O 型球閥；90%濃度氨氣管道口徑DN100，選擇O 型球閥；事故噴淋水管道口徑在DN150 以下，選擇中線式蝶閥；炭粉排放的切斷閥，管道口徑為DN250，因其所連接的除塵系統(tǒng)需要負(fù)壓操作，要求高氣密性，選擇雙插板閥。

（3）填料材質(zhì)：在切斷閥應(yīng)用的場合，所有介質(zhì)的操作溫度在150℃以下，因此切斷閥填料材質(zhì)均選擇PTFE。

（4）閥芯、閥座材質(zhì)：根據(jù)介質(zhì)腐蝕性、操作溫度、對金屬是否易磨、密封性要求，氣相介質(zhì)的切斷閥一般為軟密封，閥芯材質(zhì)為316，閥座材質(zhì)為316+PTFE。含粉炭顆粒的切斷閥一般為硬密封，閥芯、閥座材質(zhì)為304+耐磨金屬（如鍍鉻、Ni60 或斯太萊合金）。

（5）執(zhí)行機構(gòu)：所有切斷閥都是角行程，執(zhí)行機構(gòu)一般都選為氣缸式，雙插板采用雙作用氣缸，DN400 口徑的切斷閥執(zhí)行機構(gòu)選擇氣動撥叉式。

2.5.2 調(diào)節(jié)閥選型

調(diào)節(jié)閥的泄漏等級和流量特性統(tǒng)一設(shè)計為IV 級以上和等百分比，電-氣閥門定位器均選為智能型，主要調(diào)節(jié)閥型式與適用的工況介質(zhì)如下。

（1）Globe 籠型單座調(diào)節(jié)閥：用于DN150 以下的管線，介質(zhì)為低壓蒸汽、氮氣的流量調(diào)節(jié)。低壓蒸汽溫度200℃，其閥芯與閥座材質(zhì)為304+STL，填料為石墨；氮氣流量調(diào)節(jié)閥閥芯閥座材質(zhì)分別為304 和304+PTFE，填料為PTFE。閥籠材質(zhì)和執(zhí)行機構(gòu)分別為304 和氣動薄膜式。

（2）高性能雙/三偏心蝶閥：用于DN300、DN400 的管線，介質(zhì)為5%氨空混合氣、高爐煤氣和助燃空氣流的流量調(diào)節(jié)。介質(zhì)溫度在200℃以下時，閥芯材質(zhì)為304，閥座材質(zhì)為304+PTFE，填料為PTFE，執(zhí)行機構(gòu)為氣缸。熱風(fēng)爐的爐膛壓力調(diào)節(jié)閥所在管道口徑為DN700，介質(zhì)溫度在400℃，選擇高溫型三偏心蝶閥，安裝形式為對夾式，閥芯、閥座材質(zhì)為316，填料為柔性石墨，執(zhí)行機構(gòu)為氣動撥叉式。

（3）偏心旋轉(zhuǎn)半球型球閥：特殊且關(guān)鍵的調(diào)節(jié)閥是再生反應(yīng)器解析氣管線及其旁路的調(diào)節(jié)閥。解析出來含SO2的酸性氣送至制酸單元或經(jīng)旁路返回到凈化單元入口，兩根DN350 的酸性氣管線上設(shè)置自控閥門，起到切換和調(diào)節(jié)作用。酸性氣管線內(nèi)的介質(zhì)工況比較復(fù)雜，正常操作時介質(zhì)溫度在400～450℃，除含酸性氣與粉塵外，當(dāng)介質(zhì)溫度降低時硫酸銨鹽結(jié)晶大量存在，會堵塞管道且極難被清除，嚴(yán)重時要更換管線。因此，酸性氣調(diào)節(jié)閥閥體需采用電伴熱維持高溫，閥芯選擇偏心旋轉(zhuǎn)半球型，閥芯與閥座材質(zhì)選擇A351-CF8M+STL，填料為雙層石墨，且具有耐腐蝕、耐磨和切割介質(zhì)的性能，閥桿需加長且?guī)崞乐垢邷赜绊戨姎忾y門定位器工作，流量特性為近似等百分比，執(zhí)行機構(gòu)為氣缸。

3 結(jié)語

儀表的設(shè)計與選型是工業(yè)裝置實現(xiàn)自動化控制的重要基礎(chǔ)，既要滿足合理性、準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性，也要滿足經(jīng)濟性和便于安裝維護，保證工業(yè)裝置的連續(xù)穩(wěn)定運行。經(jīng)過5 套鋼鐵廠燒結(jié)機和1 套燃煤電廠的活性炭法煙氣脫硫脫硝裝置的實踐，裝置穩(wěn)定運行，驗證了這套儀表設(shè)計與選型的結(jié)果是合理的。